摘要:介紹了近年來新興的二氧化碳捕集技術(shù)路線和國內(nèi)外的有關(guān)研究項(xiàng)目。通過研究由清潔發(fā)展機(jī)制延伸出來的碳交易及其市場表明，在未來的幾十年中，碳交易將成為最大的貿(mào)易商品，并且能夠減少環(huán)境污染和產(chǎn)生較高的利益。

關(guān)鍵詞:二氧化碳捕集技術(shù),碳交易,溫室氣體

近年來，溫室效應(yīng)加劇等問題使環(huán)境與經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，引起溫室效應(yīng)和全球氣候變化的二氧化碳的減排技術(shù)成為各國關(guān)注的焦點(diǎn)。美國等國家提出了一種二氧化碳的減排方法—二氧化碳捕集技術(shù)，目前這種技術(shù)主要是針對(duì)電站排放出的二氧化碳進(jìn)行捕集。

當(dāng)前全球發(fā)電行業(yè)所排放的二氧化碳占全球二氧化碳總排放量的40%，預(yù)計(jì)到2030年時(shí)，全球發(fā)電量將比現(xiàn)在增加一倍，如不采取有效措施，二氧化碳排放量也將隨之增長2/3。而在火力發(fā)電占絕對(duì)主導(dǎo)地位的中國，由于在發(fā)電過程中排放的二氧化碳大部分來自燃煤，因此在火電站中實(shí)現(xiàn)二氧化碳的捕集和儲(chǔ)存，對(duì)于實(shí)現(xiàn)溫室氣體減排更為重要。

1 二氧化碳的捕集和儲(chǔ)存技術(shù)

二氧化碳的捕集和儲(chǔ)存（Carbon Capture and Storage，CCS）是利用吸附、吸收、低溫及膜系統(tǒng)等現(xiàn)已較為成熟的工藝技術(shù)將廢氣中的二氧化碳捕集下來，并進(jìn)行長期或永久性的儲(chǔ)存[1]。

目前，正在大力開發(fā)的碳捕集技術(shù)主要有3種，即燃燒后脫碳、燃燒前脫碳和富氧燃燒技術(shù)[2]。其中燃燒前捕捉技術(shù)只能用于新建發(fā)電廠，而另兩種技術(shù)則可同時(shí)應(yīng)用于新建和既有發(fā)電廠。

1.1 燃燒后脫碳

燃燒后脫碳是從煙氣中分離二氧化碳。二氧化碳的收集法主要有化學(xué)溶劑吸收法、吸附法和膜分離等方法。當(dāng)前最好的收集法為化學(xué)溶劑胺吸收法。胺與二氧化碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后形成一種含二氧化碳的化合物。然后對(duì)溶劑加溫，化合物分解，分離出溶劑和高純度的二氧化碳。由于燃燒產(chǎn)生的煙氣中含有很多雜質(zhì)，而存在的雜質(zhì)會(huì)增加捕集的成本，因此煙氣進(jìn)行吸收處理前要進(jìn)行預(yù)處理（水洗冷卻、除水、靜電除塵、脫硫與脫硝等），去除其中的活性雜質(zhì)（硫、氮氧化物和顆粒物等），否則這些雜質(zhì)會(huì)優(yōu)先與溶劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，消耗大量的溶劑并腐蝕設(shè)備。煙氣在預(yù)處理后，進(jìn)入吸收塔，吸收塔的溫度保持在40℃～60℃，二氧化碳被胺吸收劑（一乙醇胺、二乙醇胺和三乙醇胺等物質(zhì)）吸收，吸收劑在溫度為100℃～140℃和比標(biāo)準(zhǔn)大氣壓略高的壓力條件下得到再生。在目前的工藝條件下，溶劑再生以及為便于運(yùn)輸而壓縮二氧化碳，都需要消耗大量的能量，因而會(huì)大大折減凈發(fā)電量。

1.2 燃燒前脫碳

燃燒前脫碳主要應(yīng)用在以氣化爐為基礎(chǔ) （如聯(lián)合循環(huán)技術(shù)） 的發(fā)電廠。首先，化石燃料與氧或空氣發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生由一氧化碳和氫氣組成的混合氣體�；旌蠚怏w冷卻后，在催化轉(zhuǎn)化器中與蒸汽發(fā)生反應(yīng)，使混合氣體中的一氧化碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳，并產(chǎn)生更多的氫氣。最后，將氫氣從混合氣中分離，干燥的混合氣中的二氧化碳含量可達(dá)15%～60%，總壓力2M～7MPa。二氧化碳從混合氣體中分離并被捕獲和儲(chǔ)存，氫氣被用作燃?xì)饴?lián)合循環(huán)的燃料送入燃?xì)廨啓C(jī)，進(jìn)行燃?xì)廨啓C(jī)與蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。這一過程也即考慮碳的捕獲和存儲(chǔ)的煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（IGCC）。

1.3 富氧燃燒技術(shù)

富氧燃燒捕集是指燃料在氧氣和二氧化碳的混合氣體中燃燒，燃燒產(chǎn)物主要是二氧化碳、水蒸汽以及少量其他成分，經(jīng)過冷卻后二氧化碳含量在80%～98%。通常，氧氣由空氣分離方法產(chǎn)生，少部分煙氣再循環(huán)與氧氣按一定比例進(jìn)入燃燒室。使用氧氣和二氧化碳混合氣的目的是為了控制火焰溫度。如果燃燒發(fā)生在純氧中，火焰溫度就會(huì)過高。在富氧燃燒系統(tǒng)中，由于二氧化碳濃度較高，因此捕獲分離的成本較低，但是供給的富氧成本較高。另外，由于燃燒發(fā)生在低氮環(huán)境中，因而大大降低了氮氧化合物的生成量。

2 國內(nèi)外的有關(guān)研究項(xiàng)目

2.1 美國“Future Gen（未來發(fā)電）”計(jì)劃

2005年12月，美國能源部與美國未來電力企業(yè)聯(lián)盟（Future Gen Industry Alliance）正式簽署協(xié)議，計(jì)劃建造世界上第一座集二氧化碳捕集和封存、發(fā)電、制氫于一體的研究性電廠。原型電廠建成投產(chǎn)后，將成為世界上第一座實(shí)現(xiàn)零排放的最潔凈的燃煤電廠。整個(gè)項(xiàng)目預(yù)計(jì)耗資10億美元建成一座275兆瓦的示范電廠。計(jì)劃2009年開始建廠，預(yù)計(jì)2012年完成。

Future Gen計(jì)劃是將煤炭用氧氣、水蒸汽氣化產(chǎn)生一氧化碳和氫氣，再將一氧化碳經(jīng)變換反應(yīng)生成二氧化碳和額外的氫氣。將氫氣和二氧化碳分離后，氫氣直接用于燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電產(chǎn)生電力，而二氧化碳則泵送到幾千尺深的鹽水井中液化貯存（也可貯存在采空的煤礦井和枯竭的石油井中）。按美國的地質(zhì)條件，用這種技術(shù)至少可貯存2.2萬億噸二氧化碳，相當(dāng)于美國電廠年排放量的1000倍。煤中的硫、氮、汞等有害元素則制成固體廢渣，防止污染大氣。

2.2 澳大利亞Zero Gen項(xiàng)目

Zero Gen項(xiàng)目由澳大利亞昆士蘭州政府所有的電力公司Stanwell Corp牽頭，荷蘭皇家殼牌有限公司（Royal Dutch Shell Plc）和美國的通用電氣公司（General Electric Co.）提供技術(shù)支持。

Zero Gen項(xiàng)目旨在將煤轉(zhuǎn)化成富氫氣體和高壓二氧化碳，通過燃燒這種氣體來驅(qū)動(dòng)一臺(tái)高效渦輪機(jī)發(fā)電，二氧化碳通過管道被輸送到約220公里以外的地方，然后被埋存于地下含水層中。該項(xiàng)目可捕集和埋存二氧化碳總排量的70%（每年可達(dá)42萬噸左右），它將成為世界上第一個(gè)通過結(jié)合煤氣化和二氧化碳捕集與儲(chǔ)存技術(shù)來生產(chǎn)低排放電力的燃煤發(fā)電示范廠。目前，該項(xiàng)目處于可行性研究階段。

2.3 澳大利亞“Kwinana”計(jì)劃

2007年5月，英國-澳大利亞礦業(yè)集團(tuán)Rio Tinto和英國石油公司（BP PLC）公布了投資20億澳元（約合15億美元）在澳大利亞西部興建煤炭發(fā)電廠“Kwinana”的計(jì)劃。計(jì)劃將充分利用碳捕獲及埋存技術(shù)來減少二氧化碳排放，每年將有400萬噸的二氧化碳被安全存放于海底巖層中，這將是第一個(gè)將二氧化碳埋存于鹽水層的氫燃料電力項(xiàng)目。該項(xiàng)目最終的投資決策要到2011年才能完成，運(yùn)營要在決策完成后的3年之后開始。

該項(xiàng)目將柯林斯（Collie）地區(qū)生產(chǎn)的煤炭進(jìn)行氣化，產(chǎn)生氫氣和二氧化碳。氫氣將成為發(fā)電廠的燃料氣，而90%的二氧化碳將被捕獲并永久地埋存于地下的巖層中。該項(xiàng)目的氣化設(shè)備和電廠將坐落于佩斯市以南45公里的Kwinana，比鄰BP的煉廠和力拓公司的HIsmelt（直接熔融還原煉鐵）工廠。電廠的低碳電力生產(chǎn)能力將達(dá)到500兆瓦，可以滿足50萬居民用戶的電力需求。

2.4 中國“綠色煤電公司”

2005年12月，由中國華電等能源、投資國有大企業(yè)聯(lián)手組建的以研發(fā)、建設(shè)、運(yùn)營我國第一個(gè)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的近零排放的“綠色煤電”示范電站為最終目標(biāo)的綠色煤電有限公司宣告成立。新公司計(jì)劃對(duì)二氧化碳進(jìn)行收集和封存的煤基能源系統(tǒng)進(jìn)行研究。這一項(xiàng)目建設(shè)投運(yùn)后，中國企業(yè)將首次具備自主設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行大型煙氣二氧化碳捕集裝置的先進(jìn)能力。

該項(xiàng)目設(shè)計(jì)的二氧化碳回收率大于85%，年回收二氧化碳能力為3000噸，分離、提純后的二氧化碳純度達(dá)到99.5%以上，可用于食品行業(yè)。該項(xiàng)目在2008年奧運(yùn)會(huì)前建成投運(yùn)后，華能北京熱電廠成為我國第一家同時(shí)具有煙氣脫硫、脫硝、二氧化碳捕集設(shè)施的高效、節(jié)能、綠色環(huán)保燃煤電廠。

2.5 其它項(xiàng)目

殼牌公司參與合作的位于挪威Halten島的項(xiàng)目是目前在海上埋存二氧化碳并用它來提高石油開采率的最大項(xiàng)目，Halten項(xiàng)目將解決挪威中部地區(qū)的電力短缺問題，并能使二氧化碳排放量每年減少250萬噸。目前該項(xiàng)目處于可行性研究階段。

力拓公司和英國石油正在海上進(jìn)行地震研究，以便更深入了解將用以掩埋二氧化碳的巖層，這個(gè)項(xiàng)目的規(guī)模將是Zero Gen的5倍。

澳大利亞海上的Gorgon油田，預(yù)計(jì)2010年投產(chǎn)，將把二氧化碳注入對(duì)環(huán)境敏感的Barrow島下面的低滲透鹽層。

澳大利亞正在開展Callide項(xiàng)目，該項(xiàng)目與日本等國家進(jìn)行合作，對(duì)一個(gè)20世紀(jì)60年代建造的4臺(tái)30MW的電站進(jìn)行改造，利用2臺(tái)330t/a的空分系統(tǒng)提供氧氣（98%），每天可回收75tCO2。項(xiàng)目計(jì)劃4年內(nèi)完成。
荷蘭海上的K12b項(xiàng)目，將把二氧化碳注入一深層衰竭高壓/高溫氣田；美國正在Jame Stone電廠示范50MW循環(huán)流化床的富氧燃燒系統(tǒng)，并計(jì)劃于2013年放大到400M～600MW；德國從2006年5月開始動(dòng)工建造一個(gè)30MW的富氧燃燒電站，據(jù)報(bào)道該項(xiàng)目已經(jīng)開始運(yùn)行；Total公司正準(zhǔn)備在法國Lacq電廠完成一個(gè)30MW的項(xiàng)目，并計(jì)劃2009年開始示范運(yùn)行；三井巴布公司正在建設(shè)一個(gè)40MW的富氧燃燒項(xiàng)目，計(jì)劃在2009年前進(jìn)行運(yùn)行[3]。

3 碳交易

碳交易（即溫室氣體排放權(quán)交易）也就是購買合同或者碳減排購買協(xié)議（ERPAs），其基本原理是，合同的一方通過支付另一方獲得溫室氣體減排額。買方可以將購得的減排額用于減緩溫室效應(yīng)從而實(shí)現(xiàn)其減排目標(biāo)。

3.1 碳交易分類

通常來說，碳交易可以分成兩大類：一是基于配額的交易。買家在“限量與貿(mào)易”體制下購買由管理者制定、分配（或拍賣）的減排配額，譬如《京都議定書》下的分配數(shù)量單位（AAU），或者歐盟排放交易體系（EU ETS）下的歐盟配額（EUAs）。二是基于項(xiàng)目的交易。買主向可證實(shí)減低溫室氣體排放的項(xiàng)目購買減排額。典型的此類交易為CDM以及聯(lián)合履行機(jī)制下分別產(chǎn)生核證減排量和減排單位（ERUs）。

3.2 碳交易市場

《京都議定書》規(guī)定，發(fā)達(dá)國家可以資金援助和技術(shù)轉(zhuǎn)讓的方式，在沒有減排指標(biāo)的發(fā)展中國家實(shí)施環(huán)保項(xiàng)目，通過購買經(jīng)認(rèn)證后的減排量，來履行減排義務(wù)。通過這種方式形成的市場運(yùn)作機(jī)制一般被稱為清潔發(fā)展機(jī)制（CDM）。它是《京都議定書》框架下三個(gè)靈活的機(jī)制之一。

由于資本的連接，由清潔發(fā)展機(jī)制延伸出來的碳交易，快速點(diǎn)燃了全球范圍內(nèi)的銀行、基金、政府及各類公司的熱情。尤其亞洲是清潔發(fā)展機(jī)制下減排額的主要供應(yīng)區(qū)，而中國則更是這個(gè)供應(yīng)區(qū)域的主力。因此，我國將會(huì)成為最活躍的碳交易市場之一。

我國首個(gè)煤層氣CDM項(xiàng)目瓦斯綜合利用電廠—安徽淮北礦業(yè)集團(tuán)海孜煤礦瓦斯電廠自正式投產(chǎn)以來，已累計(jì)利用瓦斯1400萬m3，減少二氧化碳排放19萬噸。

復(fù)興碳基金與皖北煤電集團(tuán)簽下了總量約為30萬噸的減排額收購協(xié)議，以每噸9歐元的價(jià)格購買皖北煤電祁東礦瓦斯電減排指標(biāo)，而這些指標(biāo)在國際碳交易市場上的價(jià)格是每噸15～20歐元。隨后，復(fù)興碳基金又與甘肅省蘭州市的一家煤電企業(yè)洽談CDM項(xiàng)目，整個(gè)項(xiàng)目的標(biāo)的是5萬噸，減排額度與皖北煤電簽訂的協(xié)議相似。

3.3 碳交易市場現(xiàn)狀與展望

碳交易市場以二氧化碳等廢氣為紐帶，在發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家之間流動(dòng)的資金規(guī)模每年達(dá)上百億美元。據(jù)了解，目前全球碳交易市場年均交易額已達(dá)300億美元。

市場上溫室氣體排放量的交易可能會(huì)超越傳統(tǒng)的商品市場，成為最大的貿(mào)易商品。美國的碳排放市場潛在的規(guī)模和范圍將會(huì)擴(kuò)大是毫無懸念的，據(jù)世界銀行估計(jì)，美國商品期貨貿(mào)易委員會(huì)2008年碳商品交易總值約6400億美元，大部分的交易（約5000億美元）是在歐洲聯(lián)盟的排放權(quán)交易制度下進(jìn)行的，剩下的部分是在京都議定書下進(jìn)行的，但美國一直沒有批準(zhǔn)該協(xié)議；中國目前占據(jù)全球超過半數(shù)的碳交易量，并成為全球最活躍的碳交易市場之一。同時(shí)，碳交易也推動(dòng)大量資金涌入中國，據(jù)專家預(yù)測，到2012年，流入資金將達(dá)200億美元，屆時(shí)，中國的碳交易將形成一個(gè)交易金額每年達(dá)數(shù)百億美元的大市場。

4 二氧化碳捕集發(fā)展展望

中國作為一個(gè)發(fā)展中國家，主要以煤炭的消費(fèi)為主，主要的CO2排放源為燃煤的發(fā)電廠。從總量上看，目前我國的二氧化碳排放量已位居世界第二；預(yù)計(jì)到2025年，我國的CO2總排放量很可能超過美國，位居世界第一[4,5]。因此，我國亟待需要對(duì)所排放的二氧化碳進(jìn)行捕獲研究，以緩解我國的空氣污染壓力。
高成本將是阻礙二氧化碳捕捉和埋存技術(shù)市場化的一大障礙，新建發(fā)電廠將因此增加30%～50%的成本，改造已有發(fā)電廠也會(huì)大幅增加發(fā)電廠的發(fā)電成本。目前的價(jià)格對(duì)于中國發(fā)電企業(yè)來說還是難以承受的，但中國新建發(fā)電廠在未來規(guī)劃中應(yīng)當(dāng)對(duì)這項(xiàng)技術(shù)有所準(zhǔn)備，留出一定面積的土地作為儲(chǔ)備。商業(yè)化后的二氧化碳捕捉和埋存技術(shù)的價(jià)格必然下降，而且隨著國際和中國國內(nèi)節(jié)能減排的發(fā)展，這類技術(shù)必將得到廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 黃斌，劉練波，許世森，等.燃煤電站CO2捕集與處理技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 電力設(shè)備.2008，9：3-6.

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[5] 國家氣候變化對(duì)策協(xié)調(diào)小組辦公室，中國21世紀(jì)議程管理中心.全球氣候 變化—人類面臨的挑戰(zhàn)[M].北京：商務(wù)出版社，2004.

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